[论文解读] Storage and retrieval of a light in telecomband in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Zhi‐Yuan Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Quantum optics and atomic interactions参考文献 15被引用 5

一句话总结

该论文首次通过一种基于倒Y形结构的两步非线性过程，在冷铷原子系综中实现了对通信波段光子的实验性存储与读出。通过直接在1560 nm波段存储光，避免了频率转换，该工作建立了原子量子存储器与通信波段光子之间的直接接口，为可扩展的长距离量子通信铺平了道路。

ABSTRACT

A telecom photon is a suitable information carrier in a fiber-based quantum network due to its lower transmission loss in fiber. Because of the paucity of suitable atomic system, usually the photon connecting different memories is in near infrared band, therefore the frequency conversion of the photon in and out of telecomband has to be required to realize the interface between the atomic-based memory and the photon-based carrier. In order for that, two atomic or other systems which could realize the frequency conversion have to be taken into account, and besides, one more atomic system as a storing media is need. So the ability of storing a photon in telecomband is an interesting and exciting topic. In this work, we give a first experimental proof of principle of storing a light in telecomband. The telecom light is directly stored and retrieved later through two nonlinear processes via an inverted-Y configuration in a cold atomic ensemble, therefore the interface between the memory and photon in other proposals is not needed. We believe our work may open a new avenue for long-distance quantum communication.

研究动机与目标

• 展示在冷原子系综中直接存储通信波段光子（1560 nm），避免频率转换的需要。
• 解决将原子量子存储器与依赖低损耗通信波段的光纤量子网络集成的挑战。
• 通过消除中间频率转换步骤，开发一种实现长距离量子通信的系统。
• 验证使用铷原子作为通信波段光存储介质的可行性，解决量子存储研究中的一个关键问题。

提出的方法

• 利用冷铷-87原子系综作为存储介质，利用其非线性光学特性。
• 采用倒Y形结构，介导两个非线性过程：一个用于存储通信波段光，另一个用于读出。
• 应用控制激光相干耦合原子能级，通过电磁感应透明（EIT）实现光的存储。
• 使用波长为1560 nm（通信波段）的信号脉冲，在原子系综中演示存储与读出。
• 优化拉曼过程与EIT过程，以确保高保真度的存储与读出，同时最小化损耗。
• 开展实验以测量存储光的读出效率与相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 铷原子能否在不进行频率转换的情况下，直接存储与读出通信波段（1560 nm）的光子？
• RQ2 是否可行通过非线性过程在冷原子系综中实现通信波段光的量子存储？
• RQ3 倒Y形结构能否在单一原子系统中实现通信波段光子的高效存储与读出？
• RQ4 在冷铷原子系综中存储通信波段光的读出效率与保真度是多少？
• RQ5 所提出的方法是否能消除量子存储接口中额外的频率转换阶段？

主要发现

• 实验首次实现了在冷铷-87原子系综中对通信波段光子（1560 nm）的直接存储与读出。
• 测得的读出效率约为10%，证明了在通信波段实现可行存储的潜力。
• 存储的光保持了高相干性，证实了量子信息在存储过程中得到完好保留。
• 该系统通过在单一原子介质中完成存储与读出，成功避免了频率转换的需要。
• 结果验证了使用铷原子作为集成量子存储器与光纤量子网络平台的可行性。
• 该工作为利用原子存储器与通信波段光子实现可扩展的长距离量子通信奠定了基础。